JP2011250945A - 歩行解析方法、歩行解析システム及び歩行解析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】角速度センサを用いて歩行周期を算出することができる歩行解析方法、歩行解析システム及び歩行解析装置を提供する。
【解決手段】角速度を検出する角速度センサを備え、角速度センサが検出した角速度に基づいて、被験者の歩行周期を算出する歩行解析装置１において、角速度センサが検出した角速度における減少と増加との境目の時点、及び／又は角速度の正負が反転する境目の時点を算出する算出手段と、算出手段が算出した各境目の時点に基づいて、被験者の歩行周期を算出する歩行周期算出手段とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、歩行周期を算出する歩行解析装置、歩行解析システム及び歩行解析方法に関する。

歩行周期は、健康管理にとって重要な歩行速度を求めるパラメータの一つである。歩行周期を算出する装置として、被験者に装着した加速度センサから出力された加速度データに基づき、歩行速度を算出する歩行計が知られている（例えば、特許文献１、特許文献２）。また、歩行画像の撮影、又は足裏圧力の測定によっても歩行周期を算出することができる（例えば、特許文献３、特許文献４）。

特許第２６７５８４２号公報 特開２００６−１１８９０９号公報 特開２００２−３４５７８５号公報 特許第３７２５７８８号公報

しかしながら、加速度センサを搭載した歩行計により歩行周期を算出するためは、被験者は１０メートル前後の距離を実際に歩行する必要がある。そのため、当該歩行計は在宅下の限られた空間で使用される場合には不向きである。また、歩行画像を撮影する場合又は足裏圧力を測定する場合、大規模な器具及び装置が必要となり、測定環境が大きく制限される。

本発明は斯かる事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、角速度センサを用いて歩行周期を算出することができる歩行解析方法、歩行解析システム及び歩行解析装置を提供することにある。

本願に係る歩行解析方法は、被験者の身体部位の動作に応じた角速度を検出し、検出した角速度から、被験者の歩行周期を算出する歩行解析方法において、被験者の足踏み運動に伴う身体部位の動作に応じた角速度を検出し、検出した角速度の変動に基づいて、被験者の足踏み周期を算出し、算出した足踏み周期に基づいて、被験者の歩行周期を算出することを特徴とする。

本願に係る歩行解析方法は、被験者の足踏み周期を算出するに際し、検出した角速度における減少と増加との境目の時点、及び／又は検出した該角速度の正負が反転する境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出することを特徴とする。

本願に係る歩行解析システムは、被験者の身体部位の動作に応じた角速度を検出する角速度センサと、該角速度センサを装着した被験者の歩行周期を算出する歩行解析装置と、前記角速度センサが検出した角速度を信号として前記歩行解析装置に送信する送信手段とを備え、前記歩行解析装置は、前記送信手段が送信した信号を受信し、受信した信号から被験者の歩行周期を算出するようにしてある歩行解析システムにおいて、前記歩行解析装置は、前記信号が示す角速度の変動に基づいて、被験者の足踏み周期を算出する足踏み周期算出手段と、該足踏み周期算出手段が算出した足踏み周期に基づいて、被験者の歩行周期を算出する歩行周期算出手段とを有することを特徴とする。

本願に係る歩行解析システムは、前記足踏み周期算出手段は、前記信号が示す角速度における減少と増加との境目の時点、及び／又は該角速度の正負が反転する境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出するようにしてあることを特徴とする。

本願に係る歩行解析システムは、前記歩行解析装置は、足踏み周期及び歩行周期の間の関係を示す関係式を記録する関係式記録手段を有し、前記歩行周期算出手段は、前記足踏み周期算出手段が算出した足踏み周期を、前記関係式記録手段が記録した関係式に適用し、被験者の歩行周期を算出するようにしてあることを特徴とする。

本願に係る歩行解析システムは、前記角速度センサを二つ備え、前記送信手段は、各々の前記角速度センサが夫々検出した角速度を信号として前記歩行解析装置に送信するようにしてあり、前記歩行解析装置は、前記信号が示す各々の角速度を記録する角速度記録手段を有し、前記足踏み周期算出手段は、前記角速度記録手段が記録した各々の角速度の変動に基づいて、被験者の足踏み周期を算出するようにしてあることを特徴とする。

本願に係る歩行解析装置は、角速度を検出する角速度センサを備え、該角速度センサが検出した角速度に基づいて、被験者の歩行周期を算出する歩行解析装置において、前記角速度センサが検出した角速度における減少と増加との境目の時点、及び／又は該角速度の正負が反転する境目の時点を算出する算出手段と、該算出手段が算出した各境目の時点に基づいて、被験者の歩行周期を算出する歩行周期算出手段とを備えることを特徴とする。

本願に係る歩行解析装置は、前記歩行周期算出手段は、前記算出手段が算出した各境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出する足踏み周期算出手段を有し、該足踏み周期算出手段が算出した足踏み周期に基づいて、被験者の歩行周期を算出するようにしてあることを特徴とする。

本願に係る歩行解析装置は、足踏み周期及び歩行周期の間の関係を示す関係式を記録する関係式記録手段を備え、前記歩行周期算出手段は、前記足踏み周期算出手段が算出した足踏み周期を、前記関係式記録手段が記録した関係式に適用し、被験者の歩行周期を算出するようにしてあることを特徴とする。

本願に係る歩行解析装置は、前記角速度センサを二つ備え、各々の前記角速度センサが夫々検出した角速度を記録する角速度記録手段を備え、前記算出手段は、前記角速度記録手段が記録した各々の角速度における前記各境目の時点を夫々算出するようにしてあり、前記足踏み周期算出手段は、前記算出手段が夫々算出した各々の角速度における前記各境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出するようにしてあることを特徴とする。

本願に係る歩行解析方法では、被験者の足踏み運動に伴う身体部位の動作に応じた角速度を検出する。検出した角速度の変動に基づいて、被験者の足踏み周期を算出し、算出した足踏み周期に基づいて被験者の歩行周期を算出する。

本願に係る歩行解析方法では、検出した角速度における減少と増加との境目の時点、及び／又は検出した角速度の正負が反転する境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出する。

本願に係る歩行解析システムでは、角速度センサ、歩行解析装置、及び角速度センサが検出した角速度を信号として歩行解析装置に送信する送信手段を備えている。歩行解析装置は、送信手段が送信した信号を受信し、受信した信号が示す角速度の変動に基づいて、被験者の足踏み周期を算出する。また、歩行解析装置は、算出した被験者の足踏み周期に基づいて、被験者の歩行周期を算出する。

本願に係る歩行解析システムでは、歩行解析装置は、送信手段が送信した信号が示す角速度における減少と増加との境目の時点、及び／又は送信手段が送信した信号が示す角速度の正負が反転する境目の時点に基づいて、足踏み周期を算出する。

本願に係る歩行解析システムでは、歩行解析装置は、足踏み周期と歩行周期との間の関係式を記録する関係式記録手段を有している。歩行解析装置は、算出した足踏み周期を関係式記録手段が記録した関係式に適用し、被験者の歩行周期を算出する。

本願に係る歩行解析システムでは、角速度センサを二つ備えている。送信手段は、各々の角速度センサが夫々検出した角速度を信号として歩行解析装置に送信する。歩行解析装置は、送信手段が送信した信号が示す各々の角速度を記録する角速度記録手段を有している。歩行解析装置は、角速度記録手段が記録した各々の角速度の変動に基づいて、被験者の足踏み周期を算出する。

本願に係る歩行解析装置では、角速度センサが検出した角速度における減少と増加との境目の時点及び／又は角速度センサが検出した角速度の正負が反転する境目の時点を算出する。算出した各境目の時点に基づいて、被験者の歩行周期が算出される。

本願に係る歩行解析装置では、算出した各境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出する。算出した足踏み周期に基づいて、被験者の歩行周期が算出される。
る。

本願に係る歩行解析装置では、足踏み周期と歩行周期との間の関係式を記録する関係式記録手段を備えている。算出した足踏み周期を関係式記録手段が記録した関係式に適用し、被験者の歩行周期が算出される。

本願に係る歩行解析装置では、二つの角速度センサと、各々の角速度センサが夫々検出した角速度を記録する角速度記録手段とを備えている。角速度記録手段が記録した各々の角速度における各境目の時点が、夫々算出される。そして、夫々算出された各々の角速度における各境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期が算出される。

本願に係る発明によれば、角速度センサを用いて歩行周期を算出することができる。

歩行解析装置の構成を示すブロック図である。 足踏み周期と歩行周期との関係を示す説明図である。 足踏み動作の詳細を示す説明図である。 センサ部から出力された角速度波形を示す説明図である。 歩行解析装置が実行する処理の手順を示すフローチャートである。 加速度センサから出力された加速度波形を示す説明図である。 歩行解析システムの構成を示すブロック図である。

以下、本発明の一実施例における歩行解析装置を、実施の形態を示す図面に基づいて説明する。なお、本発明は、以下の実施の形態に限定されるものではない。

実施の形態１
実施の形態１は、本願に係る歩行解析装置を大腿部に装着し、外部の装置に歩行周期を出力する形態に関する。

図１は、歩行解析装置１の構成を示すブロック図である。
歩行解析装置１は、センサ部２、信号生成回路部３、ＲＯＭ（Read Only Memory）４、制御部５、ＲＡＭ（Random Access Memory）６及び送信部７を含む。

センサ部２は、右大腿部に装着される右大腿部角速度センサ２１と、左大腿部に装着される左大腿部角速度センサ２２とを含む。右大腿部角速度センサ２１と左大腿部角速度センサ２２とは同じ構成なので、ここでは右大腿部角速度センサ２１について説明する。
なお、図１では、センサ部２の中に右大腿部角速度センサ２１及び左大腿部角速度センサ２２を便宜上描いているが、実際には右大腿部角速度センサ２１及び左大腿部角速度センサ２２は、夫々異なる小型筐体に格納されている。また、各々の小型筐体に、信号生成回路部３、ＲＯＭ４、制御部５、ＲＡＭ６及び送信部７が含まれる。

右大腿部角速度センサ２１は、互いに直交するｘ、ｙ、ｚ軸方向の角速度を検出する３個の角速度センサを備える。これらｘ、ｙ、ｚ軸方向は、夫々例えば直立不動状態の被験者から見た進行方向（Ｒｏｌｌ方向）、左右方向（Ｐｉｔｃｈ方向）、上下方向（Ｙａｗ方向）である。右大腿部角速度センサ２１は、これら３個の角速度センサにより、右大腿部角速度センサ２１内部を貫通する回転軸の周りに回転する右大腿部の角速度を検出する。右大腿部角速度センサ２１は、右大腿部を上方に持ち上げた場合に測定される角速度を正とし、右大腿部を下方に振り下ろした場合に測定される角速度を負とする。
なお、角速度センサは、１つの軸方向（例えばｙ軸方向）の角速度のみを検出するものであってもよい。
右大腿部角速度センサ２１には、光ファイバジャイロセンサ、シリコン振動構造ジャイロセンサ、圧電振動ジャイロセンサ等のいずれを採用してもよい。
右大腿部角速度センサ２１は、被験者の足踏み動作に伴う右大腿部の回転運動を角速度として検出し、検出した角速度をアナログの角速度波形信号として信号生成回路部３のフィルタ３１に出力する。

信号生成回路部３は、フィルタ３１及びＡＤ変換回路３２を含む。フィルタ３１は、センサ部２と接続され、センサ部２が検出したアナログの角速度波形信号を受け付ける。フィルタ３１は、ＡＤ変換回路３２によるＡＤ変換に先立ち、ノイズをカットする。実施の形態１では、信号生成回路部３が生成する信号に基づき、制御部５が角速度波形の特徴点（例えば、振幅の極大点、極小点等）を算出することができればよい。そこで、フィルタ３１は、例えばＡＤ変換回路３２のサンプリング周期を２００Ｈｚとし、遮断周波数が１００Ｈｚのローパスフィルタを備えている。フィルタ３１は、ノイズをカットしたアナログの角速度波形信号をＡＤ変換回路３２に出力する。

ＡＤ変換回路３２は、アナログの角速度波形信号を受け付け、デジタルの角速度波形信号に変換して、ＲＡＭ６の測定波形記録部６１に出力する。なお、ＡＤ変換回路３２は、デジタルの角速度波形信号を制御部５に出力してもよい。かかる場合、制御部５は、デジタルの角速度波形信号をリアルタイムで処理する。

ＲＯＭ４は、マスクＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ（Erasable and Programmable ROM）、ＥＥＰＲＯＭ（Electronically Erasable and Programmable ROM）、フラッシュメモリ等の不揮発性メモリであり、制御部５が実行するプログラムを記録している。当該プログラムは、角速度波形の特徴点を抽出するプログラム、角速度波形の特徴点から足踏み周期を算出するプログラム、足踏み周期から歩行周期を算出するプログラム等を含む。

また、ＲＯＭ４は、足踏み周期と歩行周期との関係式４１を記録している。
図２は、足踏み周期と歩行周期との関係を示す説明図である。図２の縦軸は歩行周期であり、横軸は足踏み周期である。図２は、複数の被験者を対象に測定した足踏み周期と歩行周期とを示している。足踏み周期は、歩行解析装置１により測定された。歩行周期は、腰部に装着した加速度センサを用いて測定された。足踏み周期と歩行周期との間には、相関係数として約０．７７を示す強い相関関係が認められた。最小二乗法により足踏み周期と歩行周期との関係を直線近似した場合、式（１）が得られた。
Ｙ＝１．２２１Ｘ−０．１９７５・・・（１）
ただし、Ｘは足踏み周期であり、Ｙは歩行周期である。なお、足踏み周期と歩行周期との関係式は、２次式その他の近似式を用いて求めてもよい。

制御部５は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、ＭＰＵ（Micro Processor Unit）等であり、ＲＯＭ４に記録されたプログラムを読み出し、当該プログラムを実行する。制御部５は、信号生成回路部３が出力した角速度波形を示すデータを測定波形記録部６１から読み出す。制御部５は、読み出した角速度波形を示すデータに基づき、角速度波形の特徴点を抽出し、足踏み周期、歩行周期等を算出する。
制御部５は、算出した足踏み周期及び歩行周期をＲＡＭ６の周期記録部６２に記録する。制御部５は、周期記録部６２から足踏み周期及び歩行周期を読み出し、送信部７へ出力する。なお、制御部５は、算出した足踏み周期及び歩行周期を送信部７へ直接出力してもよい。

ＲＡＭ６は、制御部５による処理の過程で必要な作業変数、データ等を一時的に記録する。なお、ＲＡＭ６は主記憶装置の一例であり、ＲＡＭ６の代わりにフラッシュメモリ、メモリカード等が用いられてもよい。
ＲＡＭ６は、測定波形記録部６１及び周期記録部６２を含む。測定波形記録部６１は、センサ部２で検出され、信号生成回路部３で生成された角速度波形信号を受け付け、角速度波形を示すデータとして記録する。測定波形記録部６１が一旦記録した角速度波形を示すデータは、制御部５により読み出される。
周期記録部６２は、制御部５が算出した足踏み周期及び歩行周期を記録する。周期記録部６２が記録した足踏み周期及び歩行周期は、制御部５により読み出され、送信部７に出力される。
なお、ＲＡＭ６は、測定波形記録部６１及び周期記録部６２に区別されることなく、角速度波形を示すデータ、足踏み周期及び歩行周期を記録してもよい。

送信部７は、外部の装置と通信可能な通信機器である。送信部７は、好ましくは微弱無線又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）の無線方式により外部の装置へデータを送信する。ただし、無線方式は、例えば公衆の無線方式であってもよいし、任意の無線方式であってもよい。また、送信部７は、有線方式の通信機器であってもよい。
送信部７は、周期記録部６２が記録した足踏み周期及び歩行周期を受け付け、外部の装置へ送信する。
外部の装置は、例えば携帯電話機、通信機能を有するＰＤＡ（Personal Digital Assistant）、ＰＣ（Personal Computer）等である。

なお、送信部７は、制御部５が算出した足踏み周期、歩行周期等のデータを外部の装置へ出力する手段の一例である。歩行解析装置１は、送信部７に代えて、ＵＳＢ（Universal Serial Bus）メモリ、メモリカード等との接続インタフェースを備えてもよい。
また、歩行解析装置１に液晶画面、有機ＥＬ（Electro-Luminescence）ディスプレイ等の小型表示部を用意し、制御部５が算出した足踏み周期、歩行周期等のデータを当該小型表示部に表示してもよい。かかる場合、歩行解析装置１は、送信部７を含まなくてもよい。

次に、歩行解析装置１の動作について説明する。
被験者は、左右の大腿部に夫々右大腿部角速度センサ２１を含む歩行解析装置１と、左大腿部角速度センサ２２を含む歩行解析装置１とを装着する。
各歩行解析装置１の左右の大腿部への装着は、例えば大腿部に巻き付けた伸縮自在なサポータに、歩行解析装置１の筐体に取り付けたクリップ、面ファスナテープ等で固定して行われる。歩行解析装置１の筐体は小型であり、被験者は普段と変わらない感覚で足踏み運動をすることができる。

なお、歩行解析装置１を身体に装着する部位は、大腿部に限らない。足踏み周期を算出するために、身体部位の動作に応じた角速度波形の特徴点が検出できるのであれば、身体のどの部位に歩行解析装置１を装着してもよい。例えば、歩行解析装置１を装着する部位は、足首、手首等であってもよい。あるいは、被験者は歩行解析装置１を手のひらで握った状態で足踏み運動をしてもよい。

被験者は、平らな場所で足踏み運動を開始する。右大腿部角速度センサ２１及び左大腿部角速度センサ２２は、夫々右大腿部及び左大腿部の角速度を検出する。右大腿部角速度センサ２１及び左大腿部角速度センサ２２は、検出した角速度をアナログの角速度波形信号として信号生成回路部３のフィルタ３１に出力する。

フィルタ３１は、両足のアナログの角速度波形信号を受け付ける。フィルタ３１は、アナログの角速度波形信号からノイズをカットし、ＡＤ変換回路３２に出力する。ＡＤ変換回路３２は、角速度波形信号をアナログからデジタルへ変換し、変換したデジタルの角速度波形信号を測定波形記録部６１に出力する。測定波形記録部６１は、角速度波形信号を受け付け、角速度波形を示すデジタルデータとして記録する。

ここで、足踏み動作と角速度波形との関係を説明する。
図３は、足踏み動作の詳細を示す説明図である。図３の横軸は時間である。図３は、左から右へ向かって足踏み動作を行う被験者の姿勢変化を示している。ａは左足が浮いた状態の左遊脚相、ｂは右足が浮いた状態の右遊脚相に対応する。

図４は、センサ部２から出力された角速度波形を示す説明図である。図４Ａは左大腿部角速度センサ２２から出力された角速度波形を、図４Ｂは右大腿部角速度センサ２１から出力された角速度波形を示している。図４Ａ及び図４Ｂの横軸は時間であり、縦軸は角速度である。図４Ａと図４Ｂとにおけるａ及びｂは、夫々左遊脚相、右遊脚相に対応する。

右足の足底前面が接地した場合、衝撃により右大腿部の角速度は極小となる（図３のＲ１、図４ＢのＲ１）。その直後、反対の足である左足が離地し（左遊脚相のはじまり）、左大腿部が上方へ持ち上がる（図３のＬ２、図４ＡのＬ２）。図４ＡのＬ２に示すゼロクロス点は、左足を持ち上げはじめた時点を示す。

左大腿部が持ち上がっている場合、右足はそれ一本で身体を支え立っている。このときの右大腿部角速度センサ２１の角速度波形は、図４Ｂのａの期間の波形に対応する。

図４ＡのＬ３のピークは、左大腿部が上方に持ち上がる際に最も速い速度で動作している状態を示す。図４ＡのＬ４に示すゼロクロス点は、左大腿部が最大に持ち上がった時点を示す。その後、持ち上げられた左大腿部が振り下ろされ、左足前面が接地した場合、左大腿部の角速度は極小となる（図３のＬ１、図４ＡのＬ１：左遊脚相の終わり）。

その直後、右足が離地し（右遊脚相のはじまり）、右大腿部が上方へ持ち上がる（図３のＲ２、図４ＢのＲ２）。図４ＢのＲ２に示すゼロクロス点は、右足を持ち上げはじめた時点を示す。

右大腿部が持ち上がっている場合、左足はそれ一本で身体を支え立っている。このときの左大腿部角速度センサ２２の角速度波形は、図４Ａのｂの期間の波形に対応する。

図４ＢのＲ３のピークは、右大腿部が上方に持ち上がる際に最も速い速度で動作している状態を示す。図４ＢのＲ４に示すゼロクロス点は、右大腿部が最大に持ち上がった時点を示す。その後、持ち上げられた右大腿部が振り降ろされ、右足前面が接地した場合、右大腿部の角速度は最小となる（図３のＲ１、図４ＢのＲ１：右遊脚相の終わり）。

以上の足踏み動作が繰り返されることにより、右大腿部角速度センサ２１及び左大腿部角速度センサ２２の出力波形は、図４に示すパターンを繰り返す。
図４における極大点（Ｒ３、Ｌ３）、極小点（Ｒ１、Ｌ１）、ゼロクロス点（Ｒ２、Ｒ４、Ｌ２、Ｌ４）を示す各特徴点は、足踏み周期に従って周期的に現れる。そこで、これらの角速度波形の各特徴点が出現する時点に基づいて、足踏み周期を算出する。
具体的には、次の式（２）及び式（３）により左右の足の足踏み周期を夫々求め、式（４）により平均足踏み周期を算出する。
左足の足踏み周期＝（左足の足底接地時点−左足を持ち上げはじめた時点）×サンプリング周期・・・（２）
＝（図４ＡのＬ１の時点−図４ＡのＬ２の時点）×サンプリング周期
右足の足踏み周期＝（右足の足底接地時点−右足を持ち上げはじめた時点）×サンプリング周期・・・（３）
＝（図４ＢのＲ１の時点−図４ＢのＲ２の時点）×サンプリング周期
平均足踏み周期＝（左足の足踏み周期＋右足の足踏み周期）／２・・・（４）
つまり、右大腿部角速度センサ２１及び左大腿部角速度センサ２２の出力波形から特徴点を抽出し、特徴点が現れる時間間隔を算出することにより、足踏み周期を求めることができる。

上記では、足踏み周期を左遊脚相、右遊脚相として算出している。しかし、足踏み周期は、両足で身体を支持している時間を左遊脚相、右遊脚相に加えたものであってもよい。例えば、図４ＡのＬ２から図４ＢのＲ２までを左足の足踏み周期としてもよい。また、例えば、図４ＢのＲ１から図４ＢのＲ１までを足踏み周期としてもよい。かかる場合、右大腿部角速度センサ２１だけから足踏み周期を算出することができ、左大腿部角速度センサ２２はなくてもよい。

制御部５は、測定波形記録部６１が記録した角速度波形を示すデータを読み出す。制御部５は、角速度の大きさの時間変化を調べ、左右の足について極大点、極小点及びゼロクロス点を抽出する。

例えば、制御部５は、時系列順に角速度を読み出し、１サンプリング周期前の角速度との差を求める。制御部５は、求めた差から角速度が減少しているのか、又は増加しているのかを判定する。制御部５は、角速度が減少から増加に転ずる境目を検出し、この境目の時点を極小点の時点とする。同様に、制御部５は、角速度が増加から減少に転ずる境目を検出し、この境目の時点を極大点の時点とする。

あるいは、制御部５は、角速度波形の極小点又は極大点を抽出する場合、角速度波形の接線の傾きに基づいて、極小点又は極大点を抽出してもよい。制御部５は時系列順に角速度を読み出し、１サンプリング周期前の角速度との差から１サンプリング周期における平均変化率を算出する。制御部５は、平均変化率が負から正に転ずる境目を検出し、この境目を極小点の時点とする。同様に、制御部５は、平均変化率が正から負に転ずる境目を検出し、この境目を極大点の時点とする。

また、制御部５は、時系列順に角速度を読み出し、１サンプリング周期前の角速度との正負を比較する。制御部５は、角速度が負から正へ反転する境目、又は角速度が正から負へ反転する境目を検出し、これらの境目の時点をゼロクロス点の時点とする。

左足と右足との角速度波形から独立に、これらの特徴点を抽出してもよいが、左足と右足との角速度波形を互いに参照して、これらの特徴点を抽出してもよい。例えば、図４においてＲ１の直後にＬ２が、Ｌ１の直後にＲ２が現れる規則性を、Ｌ２及びＲ２を抽出する際に利用してもよい。
図４におけるＬ３、Ｌ４、Ｒ３、Ｒ４は、上記の足踏み周期の算出には寄与しないが、これらの点も角速度波形を構成する特徴点であるため、Ｌ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２の抽出に利用してもよい。また、抽出したＬ１、Ｌ２、Ｒ１、Ｒ２をさらにＬ３、Ｌ４、Ｒ３、Ｒ４の抽出に利用してもよい。

制御部５は、抽出したこれらの特徴点から左足及び右足の足踏み周期を算出する。制御部５は、算出した左足及び右足の足踏み周期の平均値を算出し、この平均値を足踏み周期とする。

足踏み運動は複数回（例えば、２０回）行われる。制御部５は、上記の各周期を足踏み運動の回数だけ繰り返し算出し、平均値を算出する。足踏み周期の測定を複数回繰り返し行い、データを増やすことにより、測定値の信頼性が向上する。
制御部５は、左足の足踏み周期、右足の足踏み周期及び左足と右足との足踏み周期の平均値を周期記録部６２に記録する。

制御部５は、ＲＯＭ４から式（１）を読み出す。制御部５は、足踏み周期と式（１）とから、歩行周期を算出し、周期記録部６２に記録する。
制御部５は、左足の足踏み周期、右足の足踏み周期、左足と右足との足踏み周期の平均値及び歩行周期を周期記録部６２から読み出す。制御部５は、送信部７を介して、読み出した左足の足踏み周期、右足の足踏み周期、足踏み周期及び歩行周期を外部の装置に出力する。
外部の装置は、受け付けた各周期を所定の手段により表示、印刷等を行う。

図５は、歩行解析装置１が実行する処理の手順を示すフローチャートである。
右大腿部角速度センサ２１及び左大腿部角速度センサ２２は、夫々右大腿部及び左大腿部の角速度を検出し、アナログの角速度波形信号として信号生成回路部３のフィルタ３１に出力する（ステップＳ１０１）。フィルタ３１は、受け付けたアナログの角速度波形信号からノイズをカットし、ＡＤ変換回路３２に出力する（ステップＳ１０２）。ＡＤ変換回路３２は、ノイズがカットされた角速度波形信号をアナログからデジタルへ変換し、測定波形記録部６１に出力する（ステップＳ１０３）。測定波形記録部６１は、デジタル変換された角速度波形を示すデータを記録する（ステップＳ１０４）。

制御部５は、測定波形記録部６１から角速度波形を示すデータを読み出す（ステップＳ１０５）。制御部５は、角速度の時間変化から、両足の極大点、極小点及びゼロクロス点を抽出する（ステップＳ１０６）。制御部５は、抽出した極大点、極小点及びゼロクロス点から両足の足踏み周期を算出する（ステップＳ１０７）。制御部５は、両足の足踏み周期から平均足踏み周期を算出する（ステップＳ１０８）。制御部５は、ＲＯＭ４から式（１）の関係式４１を読み出す（ステップＳ１０９）。制御部５は、ステップＳ１０８で算出した平均足踏み周期を、ステップＳ１０９で読み出した関係式４１に適用して歩行周期を算出し（ステップＳ１１０）、処理を終える。

実施の形態１では、角速度センサを右大腿部及び左大腿部の両足に装着した。しかし、右大腿部角速度センサ２１又は左大腿部角速度センサ２２のいずれか一つのみを装着し、右大腿部又は左大腿部の角速度波形から、角速度波形の特徴点を抽出して足踏み周期を算出してもよい。

歩行解析装置１によれば、角速度センサが測定した足踏み周期に基づいて、歩行周期を算出することができる。足踏み運動は、歩行運動と異なり、狭い空間であっても動作が可能である。そのため、例えば家庭の狭い空間であっても足踏み運動をするだけで、歩行周期を算出することができる。

歩行解析装置１によれば、角速度センサが測定した大腿部の角速度波形から、足踏み周期を算出するための特徴点を容易に抽出することができる。角速度波形の極大点、極小点及びゼロクロス点は性質が明確であるため、制御部５はこれらの特徴点を高精度で、短時間に又はリアルタイムで抽出することができる。

歩行解析装置１によれば、足踏み周期を、式（１）に適用し、歩行周期を算出することができる。式（１）は簡潔であり、歩行解析装置１は歩行周期を算出するために複雑な解析を必要としない。

図６は、加速度センサから出力された加速度波形を示す説明図である。図６Ａは、足踏み運動をする被験者の右大腿部に装着した加速度センサから出力された加速度波形を示す。図６Ｂは、足踏み運動をする被験者の左大腿部に装着した加速度センサから出力された加速度波形を示す。図６Ａ及び図６Ｂの横軸は時間であり、縦軸は電気信号に変換された大腿部の加速度である。

図６の加速度波形は、図４の角速度波形に比べて遙かに複雑であり、図６からどのピークが足踏み動作のどのような動きと対応しているのか判別することは困難である。複数の被験者から得られた加速度のサンプル波形の振幅、周期などに基づいて特徴点を抽出するための閾値を予め定めるとしても、当該閾値の設定は困難である。加速度波形から足踏み動作の切り分けを正確に行うためには、他にビデオ映像、角速度センサ等を併用した測定が必要となる。そのため、足踏み周期を簡易な環境で測定する上で、加速度センサの使用は得策ではない。
なお、足踏み周期の特徴点を抽出するに際し、加速度センサ及び角速度センサを併用してもよい。

歩行解析装置１によれば、センサ部２は左右の足に夫々装着する角速度センサを２つ備えている。これらにより、左足の足踏み周期及び右足の足踏み周期を夫々求め、平均値としての足踏み周期を算出することができる。左足の足踏み周期及び右足の足踏み周期は、被験者によって同一ではないので、角速度センサを２つ備えることにより、より信頼性の高い足踏み周期を取得することができる。

歩行解析装置１によれば、左右の足の角速度波形を互いに参照し合うことにより、特徴点の抽出精度が向上する。従って、角速度波形に個人差に起因する複雑さが現れる場合であっても、制御部５は確実に角速度波形から特徴点を抽出することができる。

歩行解析装置１は、単体のパーソナルヘルスケア機器として実施することができる。あるいは、健康関連測定機器に歩行解析装置１の構成部を組み込んでもよい。例えば、歩数計に歩行解析装置１の構成部を組み込むことで、歩行周期算出装置として使用可能な歩数計とすることができる。

実施の形態２
実施の形態２は、被験者が装着する角速度センサと、歩行周期を算出する歩行解析装置とを含む歩行解析システムに関する。

角速度センサには、測定データを角速度センサ本体に蓄積するメモリを搭載したもの、測定データを外部の装置に送信する無線モジュールを搭載したもの等がある。実施の形態２に係る角速度センサは、無線モジュールを搭載したタイプに該当する。

外部の装置と連携してリアルタイムに角速度を測定する場合、足踏み運動の妨げにならないように、外部の装置と接続する接続ケーブルを必要としない、無線モジュールを搭載した角速度センサが好ましい。かかる場合、被験者は角速度の測定中であることを意識することなく自由に足踏み動作をすることができるので、被験者の意識に影響されない角速度の測定が可能である。被験者は、角速度センサを装着した後、普段通りの歩き方に近い足踏み運動をすることができる。また、足踏み運動に伴う角速度の測定は、平坦な場所であれば狭い空間であっても、場所を選ばずに実施可能である。

図７は、歩行解析システムの構成を示すブロック図である。歩行解析システムは、角速度センサ２０と歩行解析装置１０とを含む。角速度センサ２０と歩行解析装置１０とは、通信網Ｎを介して接続されている。通信網Ｎは、角速度センサ２０から無線信号を受け付ける無線アクセスポイント（図示せず）を含む。無線アクセスポイントは、受け付けた無線信号に係るデータを歩行解析装置１０に送信する。無線アクセスポイントと歩行解析装置１０との間の通信網Ｎは、例えばＬＡＮ（Local Area Network）、専用回線、電話回線、インターネット、衛星通信等であり、無線か有線かを問わない。
なお、角速度センサ２０と歩行解析装置１０とは、通信網Ｎを介さずに直接無線通信により接続されてもよい。

角速度センサ２０は、右大腿部角速度センサ２１、左大腿部角速度センサ２２、信号生成回路部３及び送信部７０を含む。右大腿部角速度センサ２１、信号生成回路部３及び送信部７０、並びに左大腿部角速度センサ２２、信号生成回路部３及び送信部７０は、夫々一つの小型筐体に格納されている。

送信部７０は、通信網Ｎの無線アクセスポイントと通信可能な無線通信機器であり、例えばBluetooth（登録商標）規格、無線ＬＡＮ規格等のモジュールである。送信部７０は、信号生成回路部３によりデジタル化された角速度波形信号を歩行解析装置１０に送信する。

歩行解析装置１０は、例えば携帯電話機、通信機能を有するＰＤＡ、ＰＣ等である。歩行解析装置１０は、受信部８、ＲＯＭ４、制御部５、ＲＡＭ６及び表示部９を含む。歩行解析装置１０が備える受信部８及び表示部９以外の構成部は、実施の形態１の歩行解析装置１に対応する各構成部と同じである。
受信部８は、通信網Ｎを介して角速度センサ２０からデジタルの角速度波形信号を受信し、角速度波形を示すデータとしてＲＡＭ６に記録する。
表示部９は、例えば液晶ディスプレイ、有機ＥＬディスプレイ等であり、制御部５の命令により情報を表示する。

次に、歩行解析システムの動作について説明する。
被験者は、左右の大腿部に夫々左大腿部角速度センサ２２を含む角速度センサ２０と、右大腿部角速度センサ２１を含む角速度センサ２０とを装着する。
なお、角速度センサ２０を身体に装着する部位は、大腿部に限らない。足踏み周期を算出するために、身体部位の動作に応じた角速度波形の特徴点が検出できるのであれば、身体のどの部位に角速度センサ２０を装着してもよい。例えば、角速度センサ２０を装着する部位は、足首、手首等であってもよい。

被験者は、平らな場所で足踏み動作を開始する。右大腿部角速度センサ２１及び左大腿部角速度センサ２２は、夫々右大腿部及び左大腿部の角速度を検出する。右大腿部角速度センサ２１及び左大腿部角速度センサ２２は、夫々検出した角速度をアナログの角速度波形信号として信号生成回路３に出力する。信号生成回路３は、受け付けたアナログの角速度波形信号についてノイズをカットし、デジタル変換して、送信部７０に出力する。送信部７０は、通信網Ｎを介して、デジタルの角速度波形信号を歩行解析装置１０に送信する。

歩行解析装置１０の受信部８は、通信網Ｎを介して、デジタルの角速度波形信号を受信し、当該信号に基づいて角速度波形を示すデータをＲＡＭ６に記録する。
制御部５は、ＲＡＭ６から角速度波形を示すデータを読み出し、左右の足について角速度波形の特徴点を抽出する。制御部５は、抽出した特徴点に基づいて、左足の足踏み周期、右足の足踏み周期、平均の足踏み周期及び歩行周期を算出し、ＲＡＭ６に記録する。制御部５は算出した各周期を表示部９に表示する。

実施の形態２に係る歩行解析システムによれば、実施の形態１に係る歩行解析装置１と同様の効果を奏することができる。また、歩行解析システムによれば、被験者に装着される角速度センサ２０は、歩行周期等を算出する歩行解析装置１０と分離されている。そのため、角速度センサ２０は簡便な構成からなり、より低コスト、軽量化を実現する。

歩行解析システムの歩行解析装置１０は、家庭に設置されてもよいし、医療機関に設置されてもよい。あるいは、歩行解析システムの歩行解析装置１０は、その他の場所に設置されてもよい。例えば、歩行解析装置１０が医療機関のＰＣである場合、角速度センサ２０を装着した被験者が在宅で足踏みをするだけで、医療機関にいる医療関係者は被験者の歩行周期を知ることができる。

歩行解析システムの角速度センサ２０は、両足に装着する右大腿部角速度センサ２１と左大腿部角速度センサ２２とを備えている。右大腿部角速度センサ２１と左大腿部角速度センサ２２とが検出する角速度波形からは、左右の足の足踏み周期だけでなく、足の上げ角度、両足で立っている時間、片足で立っている時間等も算出することができる。そこで、制御部５はＲＡＭ６に記録された角速度波形から足の上げ角度、両足で立っている時間、片足で立っている時間等を算出し、表示部９に出力してもよい。これにより、実施の形態２に係る歩行解析システムは、左右の足のバランスをより正確に診るための情報を提供することができる。

実施の形態２は以上の如きであり、その他は実施の形態１と同様であるので、対応する部分には同一の参照番号を付してその詳細な説明を省略する。

１、１０ 歩行解析装置
２ センサ部
２０ 角速度センサ
２１ 右大腿部角速度センサ
２２ 左大腿部角速度センサ
５ 制御部
７０ 送信部

Claims (10)

1. 被験者の身体部位の動作に応じた角速度を検出し、
   検出した角速度から、被験者の歩行周期を算出する歩行解析方法において、
   被験者の足踏み運動に伴う身体部位の動作に応じた角速度を検出し、
   検出した角速度の変動に基づいて、被験者の足踏み周期を算出し、
   算出した足踏み周期に基づいて、被験者の歩行周期を算出する
   ことを特徴とする歩行解析方法。
2. 被験者の足踏み周期を算出するに際し、
   検出した角速度における減少と増加との境目の時点、及び／又は検出した該角速度の正負が反転する境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出する
   ことを特徴とする請求項１に記載の歩行解析方法。
3. 被験者の身体部位の動作に応じた角速度を検出する角速度センサと、
   該角速度センサを装着した被験者の歩行周期を算出する歩行解析装置と、
   前記角速度センサが検出した角速度を信号として前記歩行解析装置に送信する送信手段と
   を備え、
   前記歩行解析装置は、前記送信手段が送信した信号を受信し、受信した信号から被験者の歩行周期を算出するようにしてある歩行解析システムにおいて、
   前記歩行解析装置は、
   前記信号が示す角速度の変動に基づいて、被験者の足踏み周期を算出する足踏み周期算出手段と、
   該足踏み周期算出手段が算出した足踏み周期に基づいて、被験者の歩行周期を算出する歩行周期算出手段と
   を有する
   ことを特徴とする歩行解析システム。
4. 前記足踏み周期算出手段は、
   前記信号が示す角速度における減少と増加との境目の時点、及び／又は該角速度の正負が反転する境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出するようにしてある
   ことを特徴とする請求項３に記載の歩行解析システム。
5. 前記歩行解析装置は、
   足踏み周期及び歩行周期の間の関係を示す関係式を記録する関係式記録手段
   を有し、
   前記歩行周期算出手段は、
   前記足踏み周期算出手段が算出した足踏み周期を、前記関係式記録手段が記録した関係式に適用し、被験者の歩行周期を算出するようにしてある
   ことを特徴とする請求項３又は請求項４に記載の歩行解析システム。
6. 前記角速度センサを二つ備え、
   前記送信手段は、
   各々の前記角速度センサが夫々検出した角速度を信号として前記歩行解析装置に送信するようにしてあり、
   前記歩行解析装置は、
   前記信号が示す各々の角速度を記録する角速度記録手段
   を有し、
   前記足踏み周期算出手段は、
   前記角速度記録手段が記録した各々の角速度の変動に基づいて、被験者の足踏み周期を算出するようにしてある
   ことを特徴とする請求項３から請求項５までのいずれか一項に記載の歩行解析システム。
7. 角速度を検出する角速度センサ
   を備え、
   該角速度センサが検出した角速度に基づいて、被験者の歩行周期を算出する歩行解析装置において、
   前記角速度センサが検出した角速度における減少と増加との境目の時点、及び／又は該角速度の正負が反転する境目の時点を算出する算出手段と、
   該算出手段が算出した各境目の時点に基づいて、被験者の歩行周期を算出する歩行周期算出手段と
   を備える
   ことを特徴とする歩行解析装置。
8. 前記歩行周期算出手段は、
   前記算出手段が算出した各境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出する足踏み周期算出手段
   を有し、
   該足踏み周期算出手段が算出した足踏み周期に基づいて、被験者の歩行周期を算出するようにしてある
   ことを特徴とする請求項７に記載の歩行解析装置。
9. 足踏み周期及び歩行周期の間の関係を示す関係式を記録する関係式記録手段
   を備え、
   前記歩行周期算出手段は、
   前記足踏み周期算出手段が算出した足踏み周期を、前記関係式記録手段が記録した関係式に適用し、被験者の歩行周期を算出するようにしてある
   ことを特徴とする請求項８に記載の歩行解析装置。
10. 前記角速度センサを二つ備え、
    各々の前記角速度センサが夫々検出した角速度を記録する角速度記録手段
    を備え、
    前記算出手段は、
    前記角速度記録手段が記録した各々の角速度における前記各境目の時点を夫々算出するようにしてあり、
    前記足踏み周期算出手段は、
    前記算出手段が夫々算出した各々の角速度における前記各境目の時点に基づいて、被験者の足踏み周期を算出するようにしてある
    ことを特徴とする請求項８又は請求項９に記載の歩行解析装置。

Images